Rui Alexandre Pereira Azevedo - repositorium.sdum.uminho.pt · Professor Doutor José Augusto Afonso Rui Alexandre Pereira Azevedo Domótica sem fios baseada em redes ZigBee Universidade

Rui Alexandre Pereira Azevedo

Domótica sem fios baseada em redes ZigBee

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e

Universidade do MinhoEscola de Engenharia

maio de 2016

Dissertação de MestradoCiclo de Estudos Integrados Conducentes ao Grau deMestre em Engenharia e Telecomunicações e Informática

Trabalho efetuado sob a orientação doProfessor Doutor José Augusto Afonso

Rui Alexandre Pereira Azevedo

Domótica sem fios baseada em redes ZigBee

Universidade do MinhoEscola de Engenharia

Agradecimentos

i

Agradecimentos

Em primeiro lugar, agradeço ao Professor Doutor José Augusto Afonso pela

excelente orientação, dedicação, paciência e total disponibilidade, ao longo do

desenvolvimento da dissertação.

À Universidade do Minho, por ser a minha segunda cada durante a frequência do

curso e também por ter ao dispor todo o equipamento necessário, quer ao longo dos

estudos como também na realização deste projeto.

Quero agradecer à minha família, com ênfase aos meus pais, Manuel Carlos e Rosa

Maria e ao meu irmão, Humberto, pois sem eles este percurso não seria possível.

A� minha namorada Mariana Guise, um agradecimento especial, pela ajuda e

motivação que transmitiu nos momentos mais difíceis.

Uma menção especial para os meus amigos Eduardo Machado, Hélder Dias,

Miguel Pinheiro e Guilherme Raimundo com quem partilhei de perto os melhores

momentos ao longo deste percurso. Os meus sinceros agradecimentos pela vossa

amizade.

Por fim e não menos importante, aos meus amigos da “Casa do Povo”, pelos

momentos vividos durante estes 5 anos de percurso académico, pela receção nos dias

mais difíceis e apoio quando era necessário.

ii

Resumo

iii

Resumo

A gestão inteligente da rede doméstica, com base na combinação das tecnologias

de informação e comunicação com sensores e atuadores, abre caminho a novas

soluções com grandes utilidades no mundo real. A tecnologia digital oferece

oportunidades estimulantes para aumentar a conectividade de dispositivos de rede

para fins de automação residencial. Esta dissertação tem como objetivo o estudo,

implementação e teste de soluções de automação doméstica baseadas em redes

ZigBee.

Nesta dissertação, foi realizado um estudo das tecnologias mais presentes no

mercado a nível de comunicação com fios, sem fios e powerline, tendo em vista a

comparação com o ZigBee, uma tecnologia de redes de área pessoal sem fios baseada

na norma IEEE 802.15.4 que tem vindo a crescer ao longo do tempo.

A implementação e teste desta tecnologia foram realizados utilizando plataformas

de hardware e software da Texas Instruments (TI) e o software IAR Embedded

Workbench. Numa fase inicial foi realizado um estudo da Z-Stack, a pilha protocolar

ZigBee fornecida pela TI, que é uma ferramenta poderosa para desenvolvimento de

soluções para esta tecnologia. Foi feita uma descrição de como configurar os

dispositivos para formar uma rede de sensores sem fios típica e posteriormente foi

apresentado como funcionam as aplicações exemplos que se encontram em

diferentes versões da Z-Stack.

Foram realizados testes para avaliação da taxa de erros na transmissão num

ambiente habitacional, de forma a poder validar a solução. Assim, foi possível

perceber onde podem existir problemas e como os resolver.

Palavras-Chave: Automação; Domótica; Redes; ZigBee; Z-Stack.

iv

Abstract

v

Abstract

The intelligent management of the domestic network, based on the combination

of information and communications technologies with embedded sensors and

actuators, opens the way to new solutions with great usefulness on the real world.

The network enabled digital technology offers exciting opportunities to increase the

connectivity of devices for the purpose of home automation. This dissertation aims

the study, implementation and test of solutions for home automation based on ZigBee

networks.

This dissertation performed a study of multiple network technologies present in

market, based in wired and wireless communications and powerline, with the aim to

provide a comparison with ZigBee, a wireless personal area network based in the IEEE

802.15.4 standard that is growing throughout time.

The implementation and tests were performed using hardware and software

platforms from Texas Instruments (TI) and the IAR Embedded Workbench software.

Initially, information about the Z-Stack, the ZigBee stack supplied by TI, was gathered.

A description of how to configure the devices to form a typical wireless sensor network

was provided, and then it was presented how the examples applications in different

versions of the Z-Stack work.

Tests were made to evaluate the transmission error rate in a residential

environment, in order to validate the solution. That way, it was possible to understand

where some problems were and solve them.

Keywords: Automation; Home Automation; Networks; ZigBee; Z-Stack.

vi

Índice de conteúdos

vii


Agradecimentos ............................................................................................... i

Resumo .......................................................................................................... iii

Abstract ........................................................................................................... v

Índice de conteúdos ....................................................................................... vii

Lista de figuras ................................................................................................ xi

Lista de tabelas ............................................................................................. xiii

Lista de abreviaturas ...................................................................................... xv

1. Introdução ..............................................................................................1

1.1 Enquadramento e motivação .................................................................. 1

1.2 Objetivos .................................................................................................. 2

1.3 Estrutura da dissertação .......................................................................... 2

2. Estado da arte .........................................................................................5

2.1 Domótica .................................................................................................. 5

2.2 Tecnologias com fios ................................................................................ 8

2.3 Tecnologias powerline ............................................................................. 8

2.3.1 X10 .................................................................................................... 9

2.3.2 INSTEON .......................................................................................... 10

2.4 Tecnologias sem fios .............................................................................. 10

2.4.1 6LoWPAN ........................................................................................ 11

2.4.2 EnOcean .......................................................................................... 12

2.4.3 Wavenis .......................................................................................... 12


viii

2.4.4 ZigBee ............................................................................................. 13

2.4.5 Z-Wave ............................................................................................ 20

2.5 Comparação de tecnologias ................................................................... 20

2.6 Trabalhos relacionados .......................................................................... 25

2.6.1 HM4All - Health Monitoring for All ................................................ 25

2.6.2 Comunicação ad hoc com ZigBee ................................................... 26

2.6.3 Body Sensor Networks .................................................................... 27

3. Desenvolvimento do sistema ................................................................ 29

3.1 Plataforma de desenvolvimento ............................................................ 29

3.1.1 SmartRF05EB .................................................................................. 30

3.1.2 CC2530EM ...................................................................................... 32

3.1.3 CC2531 USB dongle ........................................................................ 35

3.2 Software de desenvolvimento ............................................................... 35

3.3 Z-Stack .................................................................................................... 36

3.3.1 Z-Stack 2.5 ....................................................................................... 37

3.3.1.1 Coordenador ............................................................................... 39

3.3.1.2 End Device .................................................................................. 40

3.3.2 Z-Stack Home: ZigBee Home Automation Solutions ...................... 41

3.3.2.1 Exemplo de um interruptor de luz ............................................. 41

3.3.2.2 Exemplo de uma fechadura eletrónica ...................................... 43

3.3.2.3 Exemplo de controlo de temperatura ........................................ 45

3.3.3 Z-Stack Energy: ZigBee Smart Energy Solutions ............................. 47

3.3.3.1 GenericApp ................................................................................. 47

3.3.3.2 SerialApp ..................................................................................... 48


ix

3.3.3.3 TransmitApp ............................................................................... 49

4. Resultados e discussão .......................................................................... 52

4.1 Código de teste ...................................................................................... 52

4.2 Testes e resultados ................................................................................ 54

5. Conclusões ............................................................................................ 63

Referências .................................................................................................... 66

Lista de figuras

xi

Lista de figuras

Figura 2-1 - Consumos de eletricidade em habitações (adaptado de [5]). ................... 6

Figura 2-2 - Exemplo de habitação inteligente [1]. ........................................................ 7

Figura 2-3 - Diagrama de blocos da comunicação PLC (adaptada de [10]). .................. 9

Figura 2-4 - IPv6 e 6LoWPAN framing sobre 802.15.4 standard (adaptado de [14]). . 11

Figura 2-5 - Arquitetura do Wavenis. .......................................................................... 13

Figura 2-6 - Topologia em estrela. ............................................................................... 14

Figura 2-7 - Topologia em árvore. ................................................................................ 15

Figura 2-8 - Topologia em malha. ................................................................................ 15

Figura 2-9 - Arquitetura de pilha protocolar ZigBee [15]. ........................................... 16

Figura 2-10 - Formatos da mensagens da pilha protocolar ZigBee [16]. ..................... 19

Figura 2-11 - Diagrama HM4All [37]. .......................................................................... 26

Figura 3-1 - Conteúdo do Kit de desenvolvimento. ..................................................... 30

Figura 3-2 - Arquitetura do SmartRF05EB [31]. ........................................................... 31

Figura 3-3 - Visão geral da SmartRF05EB Rev. 1.8.1. ................................................... 32

Figura 3-4 - Visão geral do CC2530EM. ........................................................................ 33

Figura 3-5 - Diagrama de blocos do CC2530EM [31]. .................................................. 34

Figura 3-6 - Visão geral do dongle USB CC2531. .......................................................... 35

Figura 3-7 - Ambiente de trabalho do software IAR Embedded Workbench. ............. 36

Figura 3-8 - Includes do SampleApp. ............................................................................ 38

Figura 3-9 - Funções locais da SampleApp. .................................................................. 38

Figura 3-10 - End device no lado direito e coordenador no lado esquerdo. ............... 43

Lista de figuras

xii

Figura 3-11 - Menu de configuração de PIN. ............................................................... 44

Figura 3-12 - SampleDoorLock no coordenador e SampleDoorLockController no end

device. .................................................................................................................. 45

Figura 3-13 - Display SampleHeatingCoolingUnit. ....................................................... 46

Figura 3-14 - Modo de funcionamento da SerialApp. ................................................. 48

Figura 4-1 - Fluxograma do algoritmo no coordenador. ............................................. 53

Figura 4-2 - Tramas capturadas. .................................................................................. 54

Figura 4-3 - Disposição dos nós no primeiro esquema de testes. ............................... 55

Figura 4-4 - IEEE 802.15.4 (ZigBee) vs IEEE 802.11 (Wi-Fi). ......................................... 56

Figura 4-5 - Redes Wi-Fi presentes na habitação. ....................................................... 57

Figura 4-6 - Espectro da banda 2.4 GHz com as fontes de interferência. ................... 58

Figura 4-7 - Disposição dos nós no segundo esquema de testes. ............................... 59

Figura 4-8 - Espectro da banda de 2.4 GHz com todas as fontes de RF ativas. ........... 60

Lista de tabelas

xiii

Lista de tabelas

Tabela 2-1 - Comparação de tecnologias (adaptado de [1], [12], [17]). ...................... 22

Tabela 3-1 - Instruções da aplicação SampleLight. ...................................................... 42

Tabela 3-2 - Instruções da aplicação SampleSwitch. ................................................... 42

Tabela 3-3 – Instruções do SampleDoorLock. .............................................................. 43

Tabela 3-4 - Instruções SampleDoorLockController. ................................................... 43

Tabela 3-5 - Instruções de configuração PIN. .............................................................. 44

Tabela 3-6 - Instruções do SampleThermostat. ........................................................... 45

Tabela 3-7 - Instruções para definição de limites de temperatura do

SampleThermostat. .............................................................................................. 46

Tabela 3-8 - Instruções do GenericApp........................................................................ 47

Tabela 3-9 - Instruções da TransmitApp. ..................................................................... 49

Tabela 4-1 - Resultados obtidos no primeiro teste, no canal 11. ................................ 55

Tabela 4-2 - Resultados obtidos no canal 25 com o forno de micro-ondas desligado.

.............................................................................................................................. 58

Tabela 4-3 - Resultados obtidos no trajeto 5 com o forno de micro-ondas ligado. .... 59

Lista de abreviaturas

xv


API Application Programming Interface

BER Bit Error Rate

CCA Clear Channel Assessment

CDMA Code Division Multiple Access

CSMA Carrier Sense Multiple Access

DECT Digital Enhanced Cordless Telecommunication

ETSI European Telecommunications Standards Institute

FDD Frequency Division Duplex

FDMA Frequency Division Multiple Access

FEC Forward Error Correction

FFD Full Function Device

HTTP Hypertext Transfer Protocol

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

IETF Internet Engineering Task Force

IP Internet Protocol

ISM Industrial, Scientific and Medical

ISO International Organization for Standardization

ITU International Telecommunications Union

LAN Local Area Network

LEACH Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy

WSN Wireless Sensor Network


xvi

ZED ZigBee End Device

MAC Medium Access Control

NLDE NWK Layer Data Entity

NLME NWK Layer Management Entity

NPDU NWK Packet Data Unity

NWK Network

OSI Open System Interconnection

PAN Personal Area Network

PHY Physical

S-MAC Sensor Medium Access Control

Introdução

1

1. Introdução

1.1 Enquadramento e motivação

Com a expansão da Internet foi adicionado o potencial de controlo remoto e

monotorização de aparelhos. Contudo, a sua adaptação em domótica tem sido lenta

e com o ZigBee é possível ultrapassar esses problemas [3].

ZigBee é uma tecnologia de comunicação sem fios, entre dispositivos eletrónicos.

A sua vantagem encontra-se na baixa potência de operação, uma vasta densidade de

comunicação entre aparelhos dependendo da topologia de funcionamento e redução

de conexões físicas. Esta plataforma de desenvolvimento de redes de sensores sem

fios é compatível com a norma IEEE 802.15.4.

Num sistema domótico existem várias tarefas; das mais básicas, como acender e

apagar luzes, até às tarefas mais complexos, como controlos de consumos elétricos,

aumento da vida útil dos equipamentos, controlo através de smartphones em

qualquer tempo e lugar e, principalmente, o bem-estar daqueles que usufruem destes

sistemas no seu lar ou propriedade.

Os pontos importantes desta dissertação são a performance, segurança e

eficiência. Hoje em dia, num sistema com tamanha importância, é necessário garantir

segurança e confidencialidade, evitando invasores. O ZigBee tem vantagem nesses

pontos, quando comparado com outros sistemas idênticos no mercado [2].

Concebendo um cenário residencial que será realizado com auxílio dos módulos

desenvolvidos pela Texas Instruments (TI), baseado em um System on Chip (SoC)

CC2530, serão efetuados vários testes, de modo a entender qual o melhor modo de

funcionamento, para se conseguir obter os pontos relevantes mencionados

anteriormente.

Introdução

2

1.2 Objetivos

Pretende-se com esta dissertação adquirir conhecimentos no domínio dos

protocolos de comunicação em redes sem fios, de modo a que, no final da mesma haja

capacidade para:

a. Descrever as técnicas utilizadas no protocolo de redes sem fios ZigBee;

b. Descrever as soluções para os problemas encontrados;

c. Conceber um cenário residencial com módulos ZigBee;

d. Avaliar a sua performance.

1.3 Estrutura da dissertação

Este capítulo descreve o enquadramento e a motivação que levaram ao

desenvolvimento da dissertação, o conjunto dos objetivos a alcançar neste projeto e

a estrutura da dissertação.

O capítulo 2 apresenta o estado da arte referente às tecnologias presentes no

mercado. É realizado um estudo de tecnologias com fios, sem fios e powerline mais

conhecidas no mercado. É também realizada uma comparação entre as tecnologias e

apresentados trabalhos relacionados com a tecnologia que mais se destacou na

comparação.

O capítulo 3 apresenta uma descrição da plataforma de desenvolvimento ZigBee

utilizada, a nível de hardware e software. Também é efetuada uma descrição de

diversas aplicações exemplo que estão disponíveis para esta plataforma e de

alterações efetuadas no código.

O capítulo 4 apresenta o código de teste implementado para um sistema ZigBee e

os resultados de testes em ambiente real, de forma a perceber os problemas que

podem existir numa habitação para a implementação de uma rede ZigBee numa

residência, mostrando passo a passo o que foi realizado.

Introdução

3

Por fim, no capítulo 5 são apresentadas as conclusões referentes ao projeto

realizado e perspetiva de trabalho futuro.

Estado da arte

5

2. Estado da arte

Neste capítulo será discutido o estado da arte das tecnologias e conceitos mais

importantes das áreas associadas a esta dissertação. Inicialmente serão analisadas as

principais tecnologias atualmente existentes no mercado de domótica tais como

tecnologias com fios, sem fios e powerline. Pretende-se assim analisar as soluções e

comparar de modo a chegar a uma solução que seja a mais viável. A tecnologia mais

adequada será escolhida para a implementação no sistema, tendo em consideração

parâmetros como consumo de energia, taxas de transmissão, alcance entre outros.

2.1 Domótica

As áreas que têm vindo a ter mais foco pela domótica são: eficiência energética,

controlo de luzes, controlo remoto, cuidados remotos e segurança [1].

A eficiência energética está relacionada com a monitorização do consumo de

energia elétrica e a sua gestão [33], no sentido de alcançar o menor desperdício

possível sem que sejam afetados o conforto e a qualidade de vida. O consumo

energético de uma habitação depende de diversos fatores, tais como a zona onde a

mesma se situa, a qualidade de construção a nível de isolamento, o tipo de

equipamentos utilizados e o uso que lhes é dado. Hoje em dia, tanto habitações como

equipamentos são classificados com uma classe de desempenho energético.

Em Portugal, 17,7% do consumo de energia final nacional é proveniente de 3,9

milhões de habitações, sendo cerca de 30% do consumo de equipamentos elétricos, o que

indica, a necessidade de moderar este consumo elétrico [4].

Nas habitações portuguesas, o consumo energético das mesmas tem vindo a

registar um crescimento significativo, também devido, em parte, ao aumento da

aquisição de equipamentos consumidores de energia [5].

Estado da arte

6

A ADENE – Agencia para a Energia, é a entidade gestora do Sistema de Certificação

Energética dos Edifícios (SCE), que visa a avaliação e melhoria do desempenho

energético aos edifícios. De acordo com a entidade, e em relação ao consumo elétrico

de uma habitação média, são consumidos cerca de 3.700 kWh por ano, divididos da

forma como se indica na Figura 2-1.

Figura 2-1 - Consumos de eletricidade em habitações (adaptado de [5]).

O aproveitamento da energia e redução do seu consumo e um dos aspetos mais

importantes da instalação de um sistema de domótica e, com o uso destes sistemas,

estes consumos serão reduzidos significativamente.

O controlo de luzes está ligado diretamente à eficiência energética, sendo que,

não existindo movimento numa divisão da habitação, um sensor poderá comunicar a

um controlador para desligar as luzes, evitando assim um gasto de energia

acrescentado. Caso contrário, quando exista movimento, as luzes serão ligadas. As

luzes podem ser controladas a partir de qualquer lugar e o interruptor não necessita

estar ligado diretamente a uma lâmpada.

O controlo remoto, como o próprio nome indica, permite que o utilizador possa

controlar a habitação, potencialmente, em qualquer lugar. Assim, por exemplo,

mesmo no trabalho, o utilizador pode controlar o AVAC (sistema de aquecimento,

ventilação e ar condicionado) da habitação para que o ambiente esteja confortável

quando pretendido.

Estado da arte

7

Figura 2-2 - Exemplo de habitação inteligente [1].

Os cuidados remotos referem-se aos cuidados de saúde para quem se encontra

na habitação. Assim, com o auxílio de tecnologia wearable, é possível monitorizar os

utilizadores por longos períodos, no sentido de diagnosticar doenças e possibilitar um

tratamento mais eficaz numa fase precoce [7], de possibilitar aos pacientes a

realização de sessões de fisioterapia e reabilitação no conforto do lar, com

monitorização remota por parte dos terapeutas [8], e de detetar situações de

emergência [9] e atuar em tempo recorde, podendo até contactar uma linha de

emergência, caso seja necessário.

Estado da arte

8

Por fim, a segurança é outra área de atuação da domótica, através, por exemplo,

de sensores que detetam movimento indesejado e ativam alarmes, ou circuitos de

câmaras que detetam intrusos.

Na Figura 2-2 é possível ver um exemplo de uma habitação inteligente.

2.2 Tecnologias com fios

As tecnologias com fios foram o início da domótica. Estas tecnologias tinham o

incómodo da necessidade de introdução de cabos adicionais na infraestrutura para

que os dispositivos comunicassem entre eles. Não existem muitas tecnologias

conhecidas associadas à domótica com fios, contudo, existem marcas de

componentes elétricos, como por exemplo a Honeywell [6], que avançaram no

desenvolvimento de dispositivos de controlo domótico proprietários, baseados em

tecnologias de rede já existentes, como é o caso da Ethernet, e assentes sobre par

entrelaçado, cabo coaxial ou fibra ótica.

As tecnologias com fios têm as suas vantagens, como melhores taxas de

transferência, menor taxa de perdas de pacotes devido a fatores como a distância,

ruído e interferência, e maior segurança, comparativamente a tecnologias sem fios.

Um exemplo de sistemas de domótica com fios ainda bastante presentes atualmente

são os sistemas de videovigilância, devido às taxas de transferência de dados

necessárias [22].

2.3 Tecnologias powerline

As tecnologias powerline (PLC) baseiam-se numa transmissão de dados através de

rede elétrica, utilizando uma técnica de modulação adequada ao meio. Os dispositivos

PLC podem monitorizar e, consoante o pretendido, comunicar sobre a rede elétrica da

habitação [11].

Este sistema é dividido em três partes principais, nomeadamente: transmissor,

linha elétrica e recetor. Na Figura 2-3 é possível observar os blocos do transmissor e

Estado da arte

9

do recetor. Na parte do transmissor, os dados modulam uma onda portadora e, em

seguida, o sinal resultante é transmitido através da linha elétrica. No recetor, o sinal

modulado é recebido e, com o uso de técnicas de desmodulação, os dados são

recuperados. Num módulo PLC existe um circuito transmissor e um circuito recetor,

para comunicação bidirecional [10].

Figura 2-3 - Diagrama de blocos da comunicação PLC (adaptada de [10]).

Alguns dos sistemas de comunicação powerline mais conhecidos são o X10 e a

INSTEON. Estes sistemas são descritos nas próximas secções.

2.3.1 X10

O X10 e o protocolo mais antigo e usado nas aplicações domóticas. Foi

desenvolvido em 1975 pela empresa Pico Electronics com o objetivo de transmitir

dados pela rede elétrica com custos muito baixos. A vantagem da utilização da rede

elétrica consiste em não ser necessária a instalação de nova cablagem, sendo este o

principal meio de comunicação. Além disso, a facilidade de implementação e a

Estado da arte

10

possibilidade de utilizar uma instalação de rede elétrica constituem alguns dos aspetos

que contribuíram para o seu sucesso.

Os controladores enviam códigos/sinais pela rede elétrica, dirigidos aos módulos

recetores, para estes atuarem. Deste modo e necessário definir os endereços, quer

dos controladores, quer nos módulos recetores [12].

2.3.2 INSTEON

A INSTEON foi desenvolvida para substituir o padrão X10. Foi concebido de tal

modo que permite que os dispositivos, sensores ou interruptores possam ser usados

em conjunto utilizando a rede elétrica e/ou em radio frequência (RF). Esta é a única

tecnologia que se comunica através de ambos os modos.

Outra vantagem da INSTEON é a sua compatibilidade parcial com dispositivos X10,

uma vez que os comandos executados são idênticos aos do X10. A transmissão de

dados ocorre na frequência de 1.131,65 KHz para dispositivos ligados à rede elétrica e

904 MHz para dispositivos sem fios [12]. O número máximo de hops para cada

mensagem é limitado a quatro, como no Z-Wave.

A transmissão multihop é realizada utilizando um esquema de sincronização por

intervalo de tempo, pelo que são permitidas as transmissões nesses intervalos. Os nós

dentro da mesma rede não transmitem mensagens diferentes ao mesmo tempo.

2.4 Tecnologias sem fios

As tecnologias sem fios constituem uma alternativa às redes convencionais com

fios, fornecendo as mesmas funcionalidades, mas de uma forma mais flexível. Apesar

das vantagens deste tipo de redes, existem desvantagens: o consumo de energia, o

alcance, as interferências no sinal, a menor largura de banda, entre outros. Muitas das

desvantagens apresentadas têm vindo a diminuir com o avanço da tecnologia.

Algumas das tecnologias mais utilizadas na área de domótica sem fios são o 6LoWPAN,

o EnOcean, o Z-Wave, o Wavenis e o ZigBee.

Estado da arte

11

2.4.1 6LoWPAN

O 6LoWPAN é baseado no protocolo IPv6, tendo sido projetado para ser usado

sobre o padrão IEEE 802.15.4 [18] para comunicação sem fios de baixa potência.

Figura 2-4 - IPv6 e 6LoWPAN framing sobre 802.15.4 standard (adaptado de [14]).

A Figura 2-4 mostra a diferença entre cabeçalhos normais IPv6 em comparação

com o cabeçalho comprimido 6LoWPAN sobre IEEE 802.15.4.

Uma das desvantagens deste padrão parte da limitação no tamanho das tramas a

127 bytes, incluindo um cabeçalho MAC de 23 bytes e um cabeçalho opcional de

criptografia AES de 21 bytes. Com um protocolo IPv6 convencional, o payload seria

reduzido para 33 bytes UDP e 21 bytes com o TCP [1].

A ideia do 6LoWPAN é manter o protocolo IPv6, mas comprimindo o cabeçalho

das tramas para diminuir o overhead relativamente ao payload. Assim payload pode

variar entre 65 e 75 bytes de dados. Desta forma, a transmissão de uma determinada

quantidade de dados demora menos pacotes e, consequentemente, consome menos

energia. O 6LoWPAN remove a implementação do Transmission Control Protocol

(TCP), ou seja, o nó é limitado ao protocolo User Datagram Protocol (UDP) e a camada

de aplicação fica responsável pela manipulação de erros.

Estado da arte

12

2.4.2 EnOcean

A EnOcean é uma das mais novas tecnologias em automação residencial, com a

vantagem de alimentar-se da energia que ela própria capta. A característica benéfica

e única nos nós EnOcean é a sua capacidade para trabalhar sem bateria e ainda

conseguir comunicar sem fios.

Os primeiros desenhos de dispositivos EnOcean usavam geradores elétricos

piezoelétricos, mas foram mais tarde substituídos por fontes de energia

eletromagnéticas [13]. Como todos os dispositivos são autoalimentados, a

manutenção é mínima. A interferência de rádio também é mínima, uma vez que atua

na banda 868 MHz na UE.

2.4.3 Wavenis

O Wavenis é uma pilha de protocolos para comunicação sem fios desenvolvida

pela Coronis Systems para controlo e aplicações de monitorização em vários

ambientes, incluindo automação residencial e construção. O Wavenis está a ser

promovido e gerido pela Wavenis Open Standard Alliance.

Esta tecnologia atua principalmente nas bandas de 433 MHz, 868 MHz e 915 MHz,

que são bandas ISM (Industrial, Scientific and Medical) disponíveis na Ásia, Europa

e/ou Estados Unidos, respetivamente. Alguns produtos também operam na banda de

2,4 GHz. As taxas de transferência mínima e máxima oferecida pelo Wavenis são 4,8

kbps e 100 kbps, respetivamente, sendo o valor médio de 19,2 kbps [1].

A subcamada MAC oferece sistemas sincronizados e não-sincronizados. Numa

rede sincronizada, os nós operam com um misto de CSMA (Carrier Sense Multiple

Access) e TDMA (Time Division Multiple Access). Neste caso, um nó atribui a si mesmo

um intervalo de tempo que é aleatoriamente calculado baseado no seu endereço.

Antes da transmissão, o nó executa o CS (Carrier Sense). Se o canal estiver ocupado, o

nó calcula um novo intervalo de tempo para a transmissão. Para aplicações em que a

fiabilidade é uma exigência crítica, como por exemplo alarmes, o sistema deve ser não-

sincronizado, usando CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision

Estado da arte

13

Avoidance). A camada de rede específica uma árvore hierárquica virtual. A arquitetura

do Wavenis é visível na Figura 2-5.

Figura 2-5 - Arquitetura do Wavenis.

2.4.4 ZigBee

O ZigBee é uma tecnologia de área pessoal sem fios baseada na norma IEEE

802.15.4 [18] a nível da camada física e camada MAC. O ZigBee tem como objetivo um

baixo consumo de energia de modo a que, ao ser alimentado por baterias, estas

tenham uma elevada autonomia. As redes IEEE 802.15.4/ZigBee têm sido utilizadas

em diversas áreas de aplicação, como o desporto [24], a agricultura [25], a medicina

[26] a automação industrial [27], etc.

O baixo custo de instalação oferecido pela ZigBee ajuda a combater os caros e

complexos problemas de arquitetura com sistemas de automação residencial [28].

De modo a satisfazer os requisitos de baixo custo financeiro e energético, o ZigBee

é uma tecnologia que utiliza potências de transmissão e taxas de transmissão de dados

substancialmente menores do que redes de área local. Isso implica um alcance menor.

Contudo, o ZigBee suporta comunicações multihop e, assim, consegue aumentar o

alcance. O coordenador ZigBee tem a responsabilidade de criação e manutenção da

rede. Cada dispositivo eletrónico na habitação pertence a uma rede ZigBee gerida pelo

coordenador. O ZigBee suporta uma elevada quantidade de nós na rede, até 65.535

dispositivos por cada coordenador, atingindo um alcance direto máximo com mais de

10 metros. Este protocolo pode operar em diferentes bandas de frequência: a banda

dos 2.4 GHz que, com 16 canais, do 11 ao 26, separados por 5 MHz, pode obter taxas

Estado da arte

14

de transmissão ate 250 kbps; a banda dos 915 MHz que, com 10 canais, do 1 ao 10,

pode obter taxas de transmissão na ordem dos 40 kbps; e 868 MHz, no canal 0.

O ZigBee define três tipos de nós: coordenador (ZC), encaminhador ou router (ZR)

e end device (ZED). O ZigBee admite diferentes tipos de topologia [29]. Na Figura 2-6

é visível a topologia em estrela. Esta tem um nó central (coordenador) que está ligado

a todos os outros nós da rede, e todas as mensagens passam pelo nó central.

Figura 2-6 - Topologia em estrela.

Na topologia em árvore, o nó superior é o coordenador, e para enviar uma

mensagem é necessário percorrer a árvore até ao topo e, em seguida, descer. Tem

como desvantagem a inexistência de uma rota alternativa caso a ligação necessária

falhe, como é possível observar na Figura 2-7.

Estado da arte

15

Figura 2-7 - Topologia em árvore.

Na topologia em malha (mesh) os routers comunicam entre si, existindo assim

rotas alternativas. A ligação entre os routers é o que diferencia esta tipologia e a

topologia em árvore. Na Figura 2-8 é apresentado um exemplo da topologia em malha.

Figura 2-8 - Topologia em malha.

O ZigBee assenta sobre a norma IEEE 802.15.4. Na Figura 2-9 é visível a arquitetura

da pilha protocolar ZigBee.

Estado da arte

16

Figura 2-9 - Arquitetura de pilha protocolar ZigBee [15].

A camada de rede (NWK) é responsável pela configuração dos dispositivos, e e

aqui que são implementados os mecanismos de descoberta de rotas e

encaminhamento da informação. Esta camada tem como funções:

• Encontrar novos dispositivos que possam integrar-se na rede;

• Monitorização dos dispositivos da rede;

• Armazenar informações relativas aos dispositivos;

• Atribuir endereços, caso seja o coordenador.

Esta camada e responsável por fornecer serviços que permitam o correto

funcionamento da camada de controlo de acesso ao meio (MAC) do 802.15.4, e, da

mesma forma, serviços adequados para a interface com a camada de aplicação. Para

esta camada existem duas entidades, o serviço de dados e o serviço de gestão.

O NLME (Network Layer Management Entity) é o serviço de gestão que, através

do seu ponto de acesso ao serviço (SAP – Service Access Point) fornece serviços

responsáveis por criar recursos que permitam a aplicação interagir com a pilha

protocolar. O NLME tem ainda outros serviços disponíveis como:

• Configuração de novos dispositivos;

Estado da arte

17

• Criação de uma rede;

• Juncão ou abandono a uma rede;

• Endereçamento;

• Descobrir vizinhos;

• Descobrir rotas.

A NLDE (Network Layer Data Entity) e a entidade que fornece o serviço de

transmissão de dados através do seu SAP, e esta capacitada a fornecer serviços como:

• Criação de NPDUs (Network Protocol Data Units);

• Topologia específica de roteamento;

• Segurança.

A camada de aplicação ZigBee consiste na subcamada Application Support (APS),

no ZigBee Device Object (ZDO) e nos objetos de aplicação definidos pelo fabricante na

Application Framework (AF).

As responsabilidades da subcamada Application Support (APS) incluem a

manutenção de tabelas para efetuar o binding, que e a capacidade de combinar dois

dispositivos baseados nos seus serviços e necessidades, e o encaminhamento de

mensagens entre os dispositivos ligados. Existem dois tipos de mensagem: Key-Value

Pair (KVP), onde cada nó conhece o endereço do nó destino; e Message Service Type

(MSG), onde é necessário que seja feita e armazenada uma ligação entre dois end

points. Outra responsabilidade da subcamada APS e a funcionalidade de discovery,

que e a capacidade para determinar quais são os outros dispositivos que operam no

espaço operacional pessoal de um dispositivo. Isto é realizado com auxílio de duas

entidades, o serviço de dados, Application Support Sub-Layer Data Entity (APSDE), e o

serviço de gestão, Application Support Sub-Layer Management Entity (APSME).

As responsabilidades do ZigBee Device Object (ZDO) incluem a definição da função

do dispositivo dentro da rede (como, por exemplo, coordenador, router ou end

device), iniciar e/ou responder a pedidos de ligação, e estabelecer uma relação segura

entre dispositivos de rede, selecionando um dos métodos de segurança do ZigBee, tais

como: chave publica, chave simétrica, entre outros.

Estado da arte

18

A Application Framework (AF) fornece funções que permitem enviar e receber

dados. Nesta subcamada o utilizador pode definir ate 240 objetos de aplicação, em

que cada um e identificado pelo seu end point, tornando possível o desenvolvimento

e identificação de aplicações no mesmo no. Na Figura 2-10 são visíveis os formatos

das mensagens criadas pelas diferentes camadas da pilha protocolar ZigBee.

Estado da arte

19

Figura 2-10 - Formatos da mensagens da pilha protocolar ZigBee [16].

Estado da arte

20

2.4.5 Z-Wave

A Z-Wave Alliance foi estabelecida no início de 2005 por um grupo de fabricantes

de produtos para controlo de habitação [19]. Esta tecnologia possui uma arquitetura

sem fios, desenvolvidos pela Zensys e promovido pela Z-Wave Alliance, para

automação em ambientes residenciais e ambientes comerciais. O principal objetivo

do Z-Wave é permitir uma transmissão fiável de mensagens curtas a partir de uma

unidade de controlo para um ou mais nós na rede [12]. A melhor característica de

dispositivos Z-Wave é sua compatibilidade entre diferentes sistemas da marca [19].

Esta oferece boa integridade de rede e estabilidade. É uma das mais antigas

tecnologias de automação doméstica dentro das disponíveis. Cada nó Z-Wave tem um

ID de rede único e cada rede tem uma identificação única. Esta é uma tecnologia em

malha e, portanto, os nós vizinhos podem comunicar diretamente uns com os outros.

A frequência de operação do Z-Wave varia de acordo com a região; a frequência

é de 908,42 MHz nos Estados Unidos da América (EUA) e de 868,42 MHz na Europa e

recentemente 2.4 GHz num chip específico [23]. As distâncias diretas cobertas pelo Z-

Wave aproximam-se dos 30 metros, sendo possível aumentar as mesmas utilizando

os nós como repetidores. Este processo pode ser utilizado para estender alcance da

rede através de um máximo de 4 nós, pois quando o número de nós ultrapassa 4 o Z-

Wave termina a transmissão. Os recentes chips da série Z-Wave 400 são os únicos que

suportam a banda de 2,4 GHz, oferecendo taxas de transmissão até 200 kbps [1].

2.5 Comparação de tecnologias

Neste capítulo foi realizado um levantamento das vantagens e desvantagens

das soluções apresentadas anteriormente: ZigBee, Z-Wave, INSTEON, Wavenis,

6LoWPAN, EnOcean e X10. Considerando que o ZigBee e 6LoWPAN foram concebidos

para fins gerais, as restantes soluções foram desenvolvidas para aplicações

específicas. Com o auxílio da Tabela 2-1 pode-se observar algumas das características.

Estado da arte

21

Um dos fatores mais importantes é o consumo de energia destes dispositivos.

Como foi mencionado o EnOcean capta energia do ambiente e não requer bateria. A

ZigBee Aliance encontra-se a desenvolver uma funcionalidade para que os seus

dispositivos funcionem em modo de autoalimentação, não necessitando assim de

baterias [12].

O 6LoWPAN e o Wavenis aproximam-se bastante ao ZigBee em termos do

consumo de energia, enquanto as outras tecnologias consumem mais energia.

Outro fator importante é a taxa de transferência de dados. Tanto o ZigBee

como 6LoWPAN oferecem um máximo de 250 kbps, o que supera as outras

tecnologias por uma larga margem. O EnOcean, com 125 kbps, e o Wavenis, com 100

kbps, seguem-se como as tecnologias de maior taxa de transmissão. Após esses, vem

o Z-Wave com uma taxa de 40 kbps e o INSTEON com uma taxa de transmissão

aproximada de 38.4 kbps. O X10 é a tecnologia com a mais baixa taxa de transferência,

cerca de 2 kbps.

Quanto ao alcance da transmissão, o INSTEON e Z-Wave chegam aos 30 metros

num único salto. Estes dispositivos atuam como repetidores e podem realizar 4 saltos.

Sendo assim, podem ter um alcance máximo de 120 metros. Segue-se o ZigBee com

10 a 100 metros de alcance e com a possibilidade de 6 saltos entre dispositivos, tendo

assim um alcance final de 60 metros. O EnOcean tem um alcance aproximadamente

20 metros e não suporta multihop.

Estado da arte

22

Tabela 2-1 - Comparação de tecnologias (adaptado de [1], [12], [17]).

6LoWPAN Z-Wave Wavenis ZigBee INSTEON X10 EnOcean

Banda RF 868 / 915 MHz 2.4 GHz

868 / 908 MHz 2.4 GHz Serie 400

433 / 868 / 915 MHz

Recentemente 2.4GHz

868 / 915 MHz 2.4GHz 904 MHz N/A 868 MHz

Alcance (m) 10-100 30 200 10-100 45 30 120

Taxa de Transferência 20 / 40 / 250 kbps

9.6 / 40 kbps 200 kbps Serie 400 4.8 / 100 kbps 20 / 40 / 250 kbps 38.4 kbps 2 kbps 125 kbps

Modo de Comunicação Radiofrequência Radiofrequência Radiofrequência Radiofrequência Radiofrequência / Powerline Powerline Radiofrequência /

Powerline

Encriptação AES 128 AES 128 AES 128 AES 128 Não contêm Não contêm ARC4 / AES

Solução Multihop RPL Estrela Árvore Malha / Árvore / Estrela Simulcast Não contêm Não contêm

Tamanho da mensagem 127 Bytes 64 Bytes N/D 127 Bytes 14 / 28 Bytes N/D N/D

Máximo de Nós 254 232 N/D 65535 400 N/D N/D

Modulação BPSK / O-QPSK GFSK GFSK BPSK / O-QPSK BPSK / FSK OOK FSK

Estado da arte

23

A capacidade de operação multi-channel tem um grande peso na escolha de uma

destas tecnologias, sendo uma das grandes vantagens do ZigBee. Os seus mecanismos

contra interferência nos canais fazem com que um coordenador ZigBee possa formar

nova rede, para mudar de canal, caso haja demasiada interferência, ao contrário de

outras tecnologias. O INSTEON, o Wavenis, o Z-Wave (exceto o chip série 400), e o x10

operam somente num único canal.

Por o INSTEON usar simulcast em vez de encaminhamento, quando um dispositivo

intermédio fica indisponível, os dados podem ainda chegar ao seu destino através de

caminhos alternativos (caso existam), sem sofrer uma lacuna na conectividade. As

outras soluções, que usam encaminhamento, detetam a falha de ligação e encontram

um caminho alternativo (se existir). O Route Change Latency (RCL) no Z-Wave é de 1

s, em média, enquanto no ZigBee encontra-se entre 50 e 100 ms [21].

A questão de segurança é um fator importante: o ZigBee e o 6LoWPAN tiram

proveito dos serviços de segurança oferecidos pelo IEEE 802.15.4, que utiliza o

algoritmo de chave de 128 bits Advanced Encryption Standard (AES). Enquanto isso, o

Z-Wave, nas séries 200 e 300, não oferece serviços de segurança. Já o chip série 400

oferece suporte a criptografia AES de 128 bits. O INSTEON oferece vários métodos de

criptografia, mas recomenda o uso de criptografia simples. O Wavenis também

suporta vários algoritmos de criptografia, incluindo AES de 128 bits.

Quanto à fiabilidade, o Z-Wave e o INSTEON utilizam verificação de 8 bits,

enquanto o ZigBee e o 6LoWPAN utilizam uma verificação mais forte, de 16 bits, usada

no IEEE 802.15.4. O Wavenis utiliza técnicas de controlo de erro mais avançadas. O

INSTEON é personalizável dependendo dos requisitos da aplicação. A sua fiabilidade

pode ser negociada de modo a poupar energia e largura de banda.

O X10 é o sistema mais barato entre os considerados, mas a tecnologia está a

tornar-se obsoleta. Com as outras tecnologias a baixarem o preço ao longo do tempo,

a vantagem de preço vai dissipar-se.

Como é possível ao INSTEON operar em malha e funcionando com repetidores,

isso aumenta o alcance de transmissão. A instalação de dispositivos INSTEON é

Estado da arte

24

ligeiramente mais fácil. No entanto, suas principais desvantagens são número limitado

de fornecedores e dispositivos certificados disponíveis. O INSTEON é interessante para

utilizadores que migram do antigo padrão X10, já que este permite a integração de

ambas as tecnologias de RF e de powerline.

O EnOcean é o melhor no consumo de energia visto que são dispositivos

autoalimentados. No entanto, a sua fiabilidade é baixa e não tem capacidade de

funcionar como repetidores. A tecnologia é relativamente nova e tem um futuro

promissor dadas as atividades de investigação em curso para melhorar esta tecnologia

[12].

A conectividade com a Internet é uma vantagem significativa do 6LoWPAN, já

que é intrinsecamente compatível com a mesma. Ligar uma estação base 6LoWPAN à

Internet não requer uso de conversão de protocolos [1]. Esta vantagem está a ser

estudada pela ZigBee Alliance, que em meados de 2009 anunciou a incorporação de

padrões da Internet Engineering Task Force (IETF).

As principais vantagens dos dispositivos Z-Wave são a flexibilidade e a

segurança. Características como capacidades de rede de malha, firmware atualizável

e diagnóstico do dispositivo remoto tornam esta tecnologia interessante. Além disso,

o Z-Wave oferece APIs abertas, o que é ideal para desenvolvedores.

O ZigBee tem sido uma tecnologia preferida por muitos, principalmente devido

ao facto de ser um padrão aberto. Além disso, ZigBee oferece fiabilidade dos dados e

contêm bons recursos de criptografia de dados. Tem potencial para prevalecer no

mercado que continua em expansão. Existem vários kits de desenvolvimento ZigBee

disponíveis no mercado para o desenvolvimento de protótipos e, assim, o ZigBee é

ideal para atividades relacionadas com a investigação [12].

Como é possível de concluir, os diferentes protocolos são adequados para

diferentes aplicações, e não há uma solução de rede de sensores sem fios que se

encaixe perfeitamente em todas as aplicações. Cada tecnologia representa um

compromisso entre diferentes fatores como alcance, taxa de transmissão e segurança.

A escolha de uma determinada tecnologia depende do onde esta será aplicada.

Estado da arte

25

Contudo, concluiu-se que o ZigBee é considerado o sistema com mais abrangência de

aplicações comparativamente aos outros.

2.6 Trabalhos relacionados

O ZigBee está a revelar-se cada vez mais promissor a cada dia, tornando-se alvo

de estudo e desenvolvimento em diversas áreas. Esta secção tem o intuito de fornecer

uma visão geral de alguns trabalhos efetuados com o uso de redes ZigBee.

2.6.1 HM4All - Health Monitoring for All

Hoje em dia, o mundo enfrenta um desafio constante no sistema de saúde, com o

aumento dos custos com cuidados de saúde. Segundo a Organização Mundial de

Saúde, os custos de saúde estão atualmente motivados principalmente pela mudança

tecnológica, que corresponde de 50 a 75% do crescimento dos custos. Outras causas

incluem o envelhecimento da população, que é responsável por aproximadamente

10% do crescimento dos custos [35] [36].

As tecnologias de comunicação emergentes nesta área tendem a ser projetadas

especificamente para ter baixo custo e baixo consumo de energia, sendo exemplos o

IEEE 802.15.4 e o ZigBee. Estas têm o potencial de proporcionar alta qualidade de

atendimento ao paciente sem aumentar consideravelmente os custos.

Neste sentido, o HM4All, Health Monitoring for All é um sistema baseado em

ZigBee para monitorização simultânea de vários pacientes em ambiente clínico que foi

desenvolvido para superar algumas das deficiências de sistemas de monitorização de

pacientes existentes, como a complexidade e os altos custos.

Na Figura 2-11 é possível observar o funcionamento deste sistema, onde, com o

auxílio de dispositivos wearable, a informação recolhida dos pacientes percorre os

routers e coordenadores, sendo depois enviada pela Internet para armazenamento

num servidor, ficando assim disponível para análise por prestadores de cuidados de

saúde.

Estado da arte

26

Figura 2-11 - Diagrama HM4All [37].

Este sistema foi implementado e testado num cenário hospitalar real, a partir do

qual foi possível obter informações relevantes sobre o desempenho da rede de

comunicação sem fios em ambiente hospitalar [37].

2.6.2 Comunicação ad hoc com ZigBee

No Instituto de Sistemas e Robótica de Coimbra foram desenvolvidos robôs móveis

com módulos que utilizam a tecnologia ZigBee como protocolo de rede, possibilitando

a comunicação entre os robôs. O objetivo deste trabalho consiste em implementar a

comunicação ad hoc sem fios entre membros de uma equipa de robôs, utilizando a

tecnologia ZigBee.

Este projeto proporciona uma ferramenta útil de investigação, nomeadamente em

swarm robotics, patrulhamento, busca e salvamento, entre outros [38]. Neste

trabalho foram comparadas tecnologias como Wi-Fi, Bluetooth e ZigBee, onde a

capacidade do ZigBee para formar redes usando a topologia em árvore aumenta a

cobertura da rede ad hoc de forma significativa, tornando-a uma escolha mais

adequada para a aplicação.

Estado da arte

27

Nos testes de desempenho da comunicação foi medido o Received signal strength

indication (RSSI) (...) das mensagens recebidas pelos companheiros, estimando a

distância aos mesmos. Utilizando a estimação da distância, procedeu-se a estimação

da posição do robô.

2.6.3 Body Sensor Networks

Uma rede de sensores corporal (BSN - Body Sensor Network) consiste num grupo

de dispositivos com comunicação sem fios distribuídos pelo corpo humano. BSNs

podem ser utilizadas para monitorizar vários sinais fisiológicos, como o

eletroencefalograma (EEG), eletrocardiograma (ECG), a temperatura, a pressão

arterial, eletromiograma (EMG) e oximetria.

A monitorização baseada em BSNs pode proporcionar benefícios no diagnóstico e

tratamento de pacientes sem restringir as suas atividades normais. Ela permite que o

paciente se mova livremente, dentro ou fora do ambiente hospitalar, proporcionando

a monitorização contínua. Esta pode ser muito útil quando é requerido um longo

período de monitorização, como por exemplo, doenças cardíacas, picos transitórios

na pressão sanguínea ou arritmias.

Este trabalho apresentou uma análise de desempenho experimental do ZigBee e

do IEEE 802.15.4 para aplicações BSN, com particular ênfase para as condições de

carga de tráfego elevado. Os resultados confirmam a importância do mecanismo de

reconhecimento para a fiabilidade do sistema e, no geral, o desempenho da topologia

em estrela ZigBee foi boa, mesmo nas piores condições testadas [39].

Desenvolvimento do sistema

29

3. Desenvolvimento do sistema

Este capítulo aborda como é feita a implementação de sistemas de domótica sem

fios utilizando uma plataforma de desenvolvimento de redes ZigBee. O hardware

utilizado é baseado no circuito integrado CC2530, da Texas Instruments. No que

concerne ao software, foram testadas diferentes versões da pilha protocolar ZigBee

disponíveis para esta plataforma de desenvolvimento, com o objetivo de analisar as

características de cada versão tendo em vista a sua aplicação no âmbito da domótica

sem fios. Primeiramente e feita uma descrição geral dos componentes e plataformas

de hardware e software utilizadas. De seguida aborda-se os procedimentos

necessários para a implementação.

3.1 Plataforma de desenvolvimento

A plataforma utilizada para desenvolvimento do projeto é baseada no circuito

integrado CC2530, da Texas Instruments, que integra um microcontrolador baseado

no 8051 e um transceiver compatível com as normas IEEE 802.15.4/ZigBee para a

banda de frequências de 2,4 GHz. Este dispositivo oferece vantagens como: baixo

ruído, boa relação qualidade/preço e operação de baixa tensão. Além disso, o CC2530

fornece amplo suporte para manipulação de pacotes, buffers de dados, criptografia,

autenticação, avaliação do estado do canal, e indicação da qualidade da ligação [30].

O kit de desenvolvimento CC2530DK inclui hardware que oferece uma plataforma

básica para desenvolvimento. Os componentes principais deste kit podem ser

visualizados na Figura 3-1, sendo que os módulos maiores são as placas SmartRF05EB

(Evaluation Board) e os mais pequenos são os módulos CC2530EM (Evaluation

Module) e o dongle USB CC2531.


30

Figura 3-1 - Conteúdo do Kit de desenvolvimento.

Este kit de desenvolvimento é constituído por:

• 2 x SmartRF05EB;

• 2 x CC2530EM;

• 2 x antenas;

• 1 x dongle USB CC2531;

• Cabos;

• Baterias;

• Documentos.

3.1.1 SmartRF05EB

A placa SmartRF05EB atua como uma placa de auxílio ao desenvolvimento, com

uma vasta gama de interfaces com o utilizador:

• 3x16 LCD;

• Interface USB 2.0;


31

• UART;

• LEDs;

• Flash Serial;

• Potenciómetro;

• Joystick;

• Botões.

A SmartRF05EB é a plataforma de teste para um EM (Evaluation Module), sendo

acoplada ao mesmo pelo uso de 2 conectores. Esta placa também pode ser conectada

ao PC via USB para programar e controlar o EM. A Figura 3-2 mostra os principais

componentes deste módulo e identifica os principais barramentos de comunicação.

Figura 3-2 - Arquitetura do SmartRF05EB [31].

Um dos principais componentes da placa é o controlador USB. Ele comunica com

o PC via USB e traduz os pedidos de várias ferramentas de software do PC. O

controlador USB comunica com o CC2530EM utilizando SPI, UART e/ou uma interface

de depuração.

É possível notar que nem todos os periféricos na placa são acessíveis a partir do

controlador USB. Este tem acesso ao UART (interface RS232), LCD, um LED, joystick e

ao botão USB. Já o módulo CC2530EM tem acesso a todos os periféricos da

SmartRF05EB: acesso total ao LCD, memória flash, quatro LEDs, 2 botões, joystick e

interface UART RS232.


32

Uma vez que muitos dos periféricos podem ser acedidos a partir do controlador

USB e do CC2530EM, alguns pinos de entrada e saída podem, potencialmente, ser

conduzidos por duas fontes diferentes. O firmware padrão em execução no

controlador USB está preparado para lidar com isso, evitando conflitos. Na Figura 3-3

é possível obter uma visão geral de onde se encontram os componentes da

SmartRF05EB Rev. 1.8.1.1.

Figura 3-3 - Visão geral da SmartRF05EB Rev. 1.8.1.

3.1.2 CC2530EM

O módulo CC2530EM contém o circuito integrado CC2530, o conector para a

antena externa e componentes auxiliares. Este módulo é ligado por cima da

SmartRF05EB utilizando dois conectores.

O CC2530EM é uma solução baseada na norma IEEE 802.15.4 que permite

construir com um custo relativamente baixo infraestruturas de rede de grandes


33

dimensões. O CC2530EM combina um microcontrolador 8051 melhorado, com 8 KB

de RAM, entre outras características. O CC2530 está disponível em quatro versões

diferentes de memória flash: CC2530F32/64/128/256, com 32/64/128/256 KB de

memória, respetivamente, sendo que a versão do CC2530 usada no kit é a de 256 KB.

O CC2530EM tem vários modos de operação, tornando-se altamente adequado

para sistemas onde é necessário o consumo de energia ultrabaixo. A combinação do

CC2530EM com a pilha protocolar ZigBee da Texas Instruments, denominada Z-Stack,

permite fornecer uma solução robusta e completa ZigBee. Este módulo pode ser

observado na Figura 3-4.

Figura 3-4 - Visão geral do CC2530EM.

O diagrama de blocos do CC2530 é observado na Figura 3-5. Os módulos podem

ser divididos em três categorias: CPU e módulos relacionados à memória; módulos

relacionados com periféricos, relógios e gerenciamento de energia; e módulos

relacionados com rádio.


34

Figura 3-5 - Diagrama de blocos do CC2530EM [31].


35

3.1.3 CC2531 USB dongle

O dongle USB que está incluído no kit vem programado para que possa ser usado

para capturar pacotes transmitidos através do ar. Para usar o dongle como um sniffer,

basta instalar o aplicativo Packet Sniffer, conectar o dongle USB e começar a capturar

pacotes. A Figura 3-6 identifica alguns dos componentes presentes no dongle USB.

Figura 3-6 - Visão geral do dongle USB CC2531.

3.2 Software de desenvolvimento

A SmartRF Studio 7 é uma aplicação para PCs utilizada por vários kits de

desenvolvimento de RF de Texas Instruments. Esta corre numa máquina Windows e

usa uma porta USB para se comunicar com uma placa CC2530EM através da

SmartRF05EB. Este programa oferece modos fáceis de operar, podendo configurar os

registos do CC2530, executar testes de potência de sinal e medir pacotes perdidos.

Para desenvolver software e realizar depuração de código no CC2530EM é

recomendado o uso de um programa intitulado IAR Embedded Workbench [32]. Este

programa suporta a depuração do CC2530EM através da SmartRF05EB, de modo a que

nenhum hardware adicional seja necessário. Na Figura 3-7 é possível observar-se o

ambiente de trabalho do IAR Embedded Workbench.


36

Figura 3-7 - Ambiente de trabalho do software IAR Embedded Workbench.

3.3 Z-Stack

A Z-Stack é uma implementação em software da pilha ZigBee, destinada a

dispositivos baseados nos microcontroladores da família 8051 e MSP430, tendo como

base a linguagem de programação C. A Z-Stack define todas as camadas da pilha

ZigBee, exceto a camada PHY (Physical Layer) que está implementada ao nível do

hardware. Para além das camadas da pilha protocolar ZigBee, foi também

implementada uma camada HAL (Hardware Abstraction Layer) e uma camada OSAL

(Operating System Abstraction Layer).

A camada HAL disponibiliza um vasto conjunto de funções que simplificam a

configuração, utilização e gestão de energia dos periféricos do microcontrolador. Já a

camada OSAL é usada para amparar os componentes do software Z-Stack durante o

processamento. Esta fornece funcionalidades de uma forma independente do

ambiente de processamento. As funcionalidades são:

• Registo, inicialização e início de tarefas;

• Troca de mensagens entre tarefas;

• Sincronização de tarefas;


37

• Tratamento de interrupções;

• Temporizadores;

• Alocação de memória.

Ao longo do tempo saíram novas versões Z-Stack com melhoramentos de API,

entre outros, evoluindo até à Z-Stack 2.5. Após esta, o foco incidiu em perfis mais

específicos e dedicados por áreas como: Home Automation, Energy, Lighting, Mesh e

Linux-Gateway.

3.3.1 Z-Stack 2.5

A Z-Stack 2.5 foi lançada em 2011 conseguindo renovar as APIs da versão 2.4. O

presente projeto foi iniciado com a versão 2.5, utilizando como base uma das

aplicação exemplo que esta continha, denominada SampleApp.

A SampleApp envia mensagens periodicamente de um módulo para outro, sendo

que o módulo que recebe as mensagens contém um contador que, consoante o

número de mensagens recebidas, faz com que um LED acenda de forma intermitente.

Isto tudo é ativado pressionando o interruptor SW1.

Na Figura 3-8 são visíveis os includes implementados. Existem tipos diferentes de

include:

• de hardware, para se aceder à SmartRF05EB;

• de acesso a ficheiros de configurações como o “SampleApp.h”;


38

Figura 3-8 - Includes do SampleApp.

Após os includes são definidas as variáveis globais e as variáveis locais. As variáveis

globais definem Cluster IDs para uma mensagem periódica. As variáveis locais são

usadas para definir variáveis usadas ao longo da aplicação que podem ser uint8, uint16

e uint32. Em seguida, as funções locais, visíveis na Figura 3-9, declaram as funções que

serão usadas com os parâmetros que recebem e devolvem. No caso da Figura 3-9 é

visível, por exemplo, a função SampleApp_SendPeriodicMessage para envio de

mensagens periódicas. Só depois destas declarações é que possível ser implementado

o código da aplicação.

Figura 3-9 - Funções locais da SampleApp.

Para melhor entendimento desta programação foi iniciado um exercício. O

objetivo foi a execução de procedimentos necessários para implementar uma rede de


39

sensores sem fios baseada na norma ZigBee. Um dispositivo terminal da rede (end

device) efetua a recolha de dados de um sensor e encaminha através da rede sem fios

até a uma estação base (coordenador ZigBee). Esta, por sua vez, encaminha os valores

recebidos para um PC através da porta RS-232, para que sejam apresentados ao

utilizador. Como base de desenvolvimento deste exercício foi utilizada a aplicação

SampleApp e dois dispositivos (compostos pelas placas SmartRF05EB e CC2530EM,

conforme mencionado na secção 3.1. As funções dos dispositivos foram:

• Coordenador ZigBee: Implementar a receção dos pacotes vindos do end

device, extrair as leituras, apresenta-las no LCD da SmartRF05EB e envia-

las através da porta RS-232 para um PC.

• End device: Implementar periodicamente a leitura de valores de um sensor

analógico, efetuando a conversão analógico-digital, e enviar os pacotes de

dados através do ar até ao coordenador. O potenciómetro disponível na

SmartRF05EB, que disponibiliza uma tensão ajustável, executa o papel de

sensor. A leitura deste é efetuada a cada 2 segundos.

3.3.1.1 Coordenador

Aqui são descritas as alterações efetuadas na aplicação do coordenador, no

ficheiro SampleApp_Coord.c.

1) Configuração da comunicação via UART. Foi necessário realizar include da

porta UART e de um conversor RS-232 para USB. De seguida, configurou-se os

parâmetros de comunicação da porta, que devem estar idênticos no PC uma

vez que só assim os dados chegam corretamente ao PC. Foi também

necessário definir a função de callback da UART e, por fim, inserir a função no

código.

2) Sempre que um pacote é recebido, existe uma função,

SampleApp_MessageMSGCB, que é executada. Esta contém vários

parâmetros dos quais só interessaria a sequência do pacote recebido, os

valores que foram recebidos do sensor e o endereço de quem enviou o pacote.


40

Para imprimir os valores no LCD foi necessária a função

HalLcdWriteStringValue. Esta função contém 3 parâmetros: texto, variável a

apresentar e a linha em que é para imprimir.

3) Para enviar a informação pela UART é necessária a função HalUARTWrite, que

envia uma trama pela porta série para que o computador receba.

4) Na aplicação SampleApp original, todos os dispositivos enviam pacotes

periódicos. Contudo, o objetivo pretendido era que o envio de dados fosse

somente efetuado pelo end device. Assim, é necessário desabilitar o envio por

parte do coordenador sendo a melhor forma retirar o timer

osal_start_timerEx da callback ZDO_STATE_CHANGE.

3.3.1.2 End Device

A seguir descrevem-se as alterações que devem ser efetuadas na aplicação do end

device, no ficheiro SampleApp_ED.c.

1) O primeiro passo consiste em configurar o temporizador para leitura periódica

das amostras. Como supracitado, esta aplicação já contém um timer de envio

de mensagens. Contudo o que se pretende é um envio a cada 2 segundos e,

para isso, é necessário alterar o valor configurado num define no ficheiro

SampleApp.h. Este valor é apresentado em milissegundos.

2) Para que a leitura do potenciómetro seja realizada é necessário descobrir onde

este se encontra ligado na SmartRF05EB e saber que canal do ADC (Analog-to-

Digital Converter) deve ser utilizado para a leitura. Com ajuda do documento

CC2530 Development Kit User’s Guide obteve-se:

• Potenciómetro ligado a IO_POT_R;

• IO_POT_R ligado a EM_POT_R;

• EM_POT_R ligado ao pino 17 do conector P5;

• Pino 17 do conector P1 corresponde a P0.7.

Assim conclui-se que deve ser utilizado o canal 7 do ADC.


41

3) A função SampleApp_SendPeriodicMessage (void) é sempre chamada quando

o temporizador expira os 2 segundos. Assim, dentro desta usa-se a função

HalAdcRead, que retorna os valores do ADC para que seja necessário guardar

numa variável para nosso uso. Para que se possa utilizar esta função, é

necessário fazer um include da hal.adc.h. Estes dados foram guardados num

buffer de 3 bytes, sendo que o primeiro guarda o número de sequência do

pacote e nos outros 2 bytes é enviado o valor da leitura do ADC.

4) No código encontra-se um comando AF_DataRequest. Este é responsável

pelo envio dos pacotes para o coordenador. Assim foi necessário realizar

alterações de modo a que o buffer criado com valores do ADC seja enviado.

Para ser mais visível ao utilizador que o pacote está a ser enviado, é possível,

com a função HalLedSet, fazer com que um LED da SmartRF05EB pisque ou

troque de estado quando um pacote é enviado.

5) Na SampleApp os pacotes periódicos são enviados para todos os

endereços - envio modo broadcast. Como só é necessário enviar para o

coordenador, e este tem um endereço fixo igual a zero, basta alterar o

SampleApp_Periodic_DstAddr.addr.shortAddr presente no código para o valor

de “0x00” em vez de “0xFFFF”.

3.3.2 Z-Stack Home: ZigBee Home Automation Solutions

Zigbee Home é um dos perfis de aplicação pública concebidos para a especificação

ZigBee 2012. Este perfil pode ser implementado tanto para utilizadores iniciantes ou

profissionais de automação residencial. Esta implementação da TI inclui aplicações

exemplo para controlo de luzes, portas e temperatura.

3.3.2.1 Exemplo de um interruptor de luz

Neste exemplo é demonstrado como este sistema pode funcionar como um

interruptor de luz numa habitação. Os programas usados são o SampleSwitch e o

SampleLight. Tradicionalmente no ZigBee Home Automation o coordenador/router é

configurado como luzes enquanto os end devices interruptores são configurados como


42

interruptores. Isto deve-se à necessidade de as luzes requererem uma fonte de

alimentação constante e os interruptores poderem ser usados com baterias, pois só

são atuados em curtos instantes.

Na Tabela 3-1 observa-se as interações com o utilizador no módulo coordenador

e na Tabela 3-2 as interações do end device. Quando os módulos são ligados, no

display aparece o endereço MAC, assim como também o nome do fabricante e nome

do programa.

Tabela 3-1 - Instruções da aplicação SampleLight.

Botão Funcionalidade Descrição SW1 Comuta estado Troca o estado da luz local SW2 EZ-Mode Inicia modo de ligação SW4 Comuta permit join Não necessário no uso de EZ-Mode SW5 Modo de ajuda Ajuda ao utilizador

Quando o coordenador forma a rede, pressionando em ambos módulos o

interruptor SW2 ao mesmo tempo, inicia-se a conexão entre os módulos através do

EZ-Mode. Quando esta conexão é concluída, a mensagem “EZMODE: SUCESS” aparece

no display.

Tabela 3-2 - Instruções da aplicação SampleSwitch.

Botão Funcionalidade Descrição SW1 Comuta estado Troca o estado da luz remotamente SW2 EZ-Mode Inicia modo de ligação SW5 Modo de ajuda Ajuda ao utilizador

Na Figura 3-10 pode-se observar o envio do comando a partir do end device, figura

do lado esquerdo, para que o coordenador realize um “toggle”, pressionando o botão

SW1, e desligue a luz. No lado esquerdo da figura pode-se encontrar informações

adicionais, tais como o PAN ID que é “EEEC”, o canal usado na comunicação que é o

“11” e por fim o endereço do módulo, que no coordenador por norma é zero.


43

Figura 3-10 - End device no lado direito e coordenador no lado esquerdo.

3.3.2.2 Exemplo de uma fechadura eletrónica

Esta aplicação tem como intuito trancar ou destrancar uma porta através de um

PIN de 4 dígitos. Na Tabela 3-3 é visível a interação possível com o utilizador no módulo

coordenador com a aplicação SampleDoorLock. Na Tabela 3-4 consta a interação no

end device, que contém o programa SampleDoorLockController.

Tabela 3-3 – Instruções do SampleDoorLock.

Botão Funcionalidade Descrição SW1 Comutação local do estado Troca o estado da fechadura SW2 EZ-Mode Modo de ligação SW3 Menu PIN Configurador de PIN SW4 Comuta permit join Não necessário no uso de EZ-Mode SW5 Modo de ajuda Ajuda ao utilizador

Tabela 3-4 - Instruções SampleDoorLockController.

Botão Funcionalidade Descrição

SW1 Comutação remota do estado Envia remotamente o PIN para abrir ou fechar a fechadura

SW2 EZ-Mode Modo de ligação SW3 Menu PIN Configurador de PIN SW5 Modo de ajuda Ajuda ao utilizador

Esta aplicação funciona de modo semelhante à anteriormente mencionada,

SampleLight/SampleSwitch. Depois de ligados e pressionando o SW2, o EZ-Mode irá


44

conectar-se automaticamente. Assim que conectados, a partir do interruptor SW1 é

possível enviar comandos para abrir ou fechar a porta.

A principal diferença desta aplicação é que o PIN tem de coincidir para que o

comando seja aceite, e assim deve-se configurar o “master PIN” desejado no

SampleDoorLock, ou seja, no coordenador. O PIN pode ser configurado quando é

pressionado o SW3. Em seguida aparece um segundo menu com indicações de como

configurar. Essas indicações estão presentes na Tabela 3-5.

Tabela 3-5 - Instruções de configuração PIN.

Botão Funcionalidade Descrição SW1 Incrementa número Incrementa o número selecionado SW3 Decrementa número Decrementa o número selecionado SW5 Próximo número / Grava Passa para próximo número e grava

O menu de configuração do PIN desejado é visível na Figura 3-11. Após serem

definidos os 4 dígitos de PIN, automaticamente o programa volta a apresentar o menu

principal no ecrã.

Figura 3-11 - Menu de configuração de PIN.

Caso o PIN não seja igual nos dois lados, aparece uma mensagem no coordenador,

como é possível observar na Figura 3-12 do lado esquerdo. Sendo assim, obtém-se

uma mensagem de erro no end device, como é visível na mesma figura do lado direito.


45

Figura 3-12 - SampleDoorLock no coordenador e SampleDoorLockController no end device.

3.3.2.3 Exemplo de controlo de temperatura

A aplicação SampleThermostat é usada para controlo de temperatura. O

termostato é um componente que mede a temperatura e, com a definição de uma

temperatura, liga ou desliga, por exemplo, um ar condicionado. O SampleThermostat

encontra-se no coordenador e serve para ler as temperaturas que para si são enviadas.

Na Tabela 3-6 são visíveis as interações.

Um submenu aparece ao carregar-se no SW1 ou SW3 para predefinir os limites

de temperatura desejados. Quando gravado, voltamos ao menu principal.

Tabela 3-6 - Instruções do SampleThermostat.


SW1 Temperatura predefinida de aquecimento

Temperatura a que o termostato é ativado e liga o aquecimento

SW2 EZ-Mode Modo de ligação

SW3 Definição de temperatura de arrefecimento

Temperatura a que o termostato é ativado e liga o arrefecimento

SW4 Comuta permit join Não necessário no uso de EZ-Mode SW5 Modo de ajuda Ajuda ao utilizador


46

Tabela 3-7 - Instruções para definição de limites de temperatura do SampleThermostat.


SW1 Incrementa temperatura Incrementa a temperatura com que o termostato vai ativar

SW3 Decrementa temperatura Decrementa a temperatura com que o termostato vai ativar

SW5 Gravar Grava a temperatura

A conexão entre estas aplicações realiza se do mesmo modo, pressionando o SW2

para ativar o EZ-Mode. Assim que conectados, o coordenador, que contém o

SampleThermostat, recebe a temperatura do SampleTemperatureSensor a cada 10

segundos.

O LED1 acende para temperaturas acima de 24° C e o LED2 acende para

temperaturas abaixo de 20° C por defeito. Estes LEDs simulam saídas, sendo o LED1 a

temperatura em que liga o arrefecimento e o LED2 a temperatura em que liga o

aquecimento. Estes valores podem ser alterados pelo utilizador com o auxílio da

Tabela 3-6. Estes LEDs acendem da mesma forma em outra aplicação, no

SampleHeatingCoolingUnit, pois está é uma unidade de controlo que conta com

comandos enviados a partir do SampleThermostat, que incluem: ciclo de

aquecimento, ciclo de arrefecimento ou sistema desligado. Por omissão, esta unidade

está no estado desligado. Na Figura 3-13 pode-se observar dois estados do

SampleHeatingCoolingUnit. Esta aplicação é executada por um router.

Figura 3-13 - Display SampleHeatingCoolingUnit.


47

3.3.3 Z-Stack Energy: ZigBee Smart Energy Solutions

Este perfil abrange quatro aplicações exemplo da Z-Stack: GenericApp, SerialApp,

e TransmitApp Cada uma das aplicações da Z-Stack é um ponto de partida para o uso

da distribuição TI da pilha protocolar ZigBee, a fim de implementar uma aplicação

específica. Cada aplicação exemplo usa o mínimo de subconjuntos de ZDOs (ZigBee

Device Objects), interfaces públicas que seriam necessárias para implementar um

dispositivo razoavelmente viável em uma rede ZigBee.

Além disso, todas as aplicações exemplo utilizam funcionalidades da API OSAL:

comunicação inter e intra-tarefas, que envia e recebe mensagens, definição e receção

de eventos de tarefas, definição e receção de timer callbacks, com uso de memória

dinâmica, bem como outros. Estas aplicações também fazem uso das funcionalidades

da API HAL, para poder controlar o hardware.

3.3.3.1 GenericApp

O GenericApp proporciona um exemplo simples de estrutura de aplicação e de

fluxo de mensagem. Esta aplicação envia uma mensagem simples a cada 5 segundos.

A mensagem, "Olá Mundo", é enviada pelo ar para outro dispositivo. A mensagem só

pode ser vista com um packet sniffer.

Esta aplicação não é uma aplicação com grande complexidade, mas pretende ser

o ponto de partida para um utilizador construir a sua própria aplicação. Na Tabela 3-8

observa-se a interação com o utilizador, sendo este que escolhe o modo de ligação.

Tabela 3-8 - Instruções do GenericApp.

Botão Funcionalidade Descrição SW2 Hand Binding Modo de ligação SW4 Auto Find Modo de ligação


48

3.3.3.2 SerialApp

O SerialApp é basicamente uma aplicação que permite a substituição de cabos

entre dois dispositivos não ZigBee. Um PC ou outro dispositivo não ZigBee transfere

dados por uma porta serial conectada a um dispositivo ZigBee que executa esta

aplicação.

Figura 3-14 - Modo de funcionamento da SerialApp.

Esta aplicação, em seguida, transmite o fluxo de dados da porta série pelo ar.

Outro dispositivo ZigBee, também correndo a aplicação SerialApp, recebe o fluxo de

dados e transmite-o pela porta série para um segundo dispositivo não ZigBee. A

transferência de dados em série é projetada para ser bidirecional, full-duplex e com

controlo de fluxo por hardware. Na Figura 3-14 visível o modo de funcionamento da

aplicação SerialApp.


49

Com o auxílio de um programa Terminal1, escolhe-se a porta série a usar e as

configurações usadas pela aplicação, como o baud rate e a paridade, entre outros,

para iniciar a comunicação.

3.3.3.3 TransmitApp

A aplicação TransmitApp é usada para demonstrar o rendimento máximo da

comunicação sem fios através do envio de pacotes de dados tão rápido quanto a stack

permita. O aplicativo irá calcular tanto a taxa média de transmissão de dados, em

bytes por segundo, como o número total de bytes para ambos os pacotes transmitidos

e recebidos. Na Tabela 3-9 pode-se observar as instruções desta aplicação.

Tabela 3-9 - Instruções da TransmitApp.

Botão Funcionalidade Descrição SW1 Comuta transmissão Troca o estado da transmissão

SW2 Hand Binding Modo de ligação SW4 Limpar dados Limpa os valores da transmissão SW5 Auto Find Modo de ligação

Os módulos contêm um display de três linhas, em que nesta aplicação a linha um

contém os parâmetros 1 e 2 e na segunda linha os parâmetros 3 e 4. Cada parâmetro

informa:

• Parâmetro 1: Média de bytes a ser recebidos por segundo;

• Parâmetro 2: Número total de bytes recebidos;

• Parâmetro 3: Média de bytes a ser transmitidos por segundo;

1 O Terminal é um software para sistemas Windows comunicarem por porta série. O software

encontra-se disponível em: https://sites.google.com/site/terminalbpp/


50

• Parâmetro 4: Número total de bytes transmitidos.

Resultados e discussão

52

4. Resultados e discussão

Com intuito de avaliar o alcance e fiabilidade de uma rede ZigBee baseada em

módulos CC2530EM num ambiente residencial e otimizar a quantidade e localização

dos nós na habitação, foram realizados vários testes em ambiente real. Este capítulo

descreve o código de teste implementado e os resultados obtidos.

4.1 Código de teste

Para execução de testes de alcance e fiabilidade foi implementado um código que

envia tramas de 50 bytes de um end device para o coordenador, com o propósito de

calcular a taxa de perda de pacotes. Neste teste o coordenador recebe 2000 tramas,

a 10 tramas por segundo. Os dados que são processados neste teste focam-se

somente no número de sequência da trama e no RSSI do sinal. Na Figura 4-1 é possível

observar-se o algoritmo de funcionamento do código para o teste de perdas no

coordenador, pois a função do end device consiste basicamente em emitir tramas

periodicamente.


53

Figura 4-1 - Fluxograma do algoritmo no coordenador.

Uma variável de 16 bits, denominada sn16, é usada no contador, que contém o

número de sequência esperado. Assim, quando sn16 for igual a 2000 o programa

finaliza, imprimindo os resultados no display. O coordenador recebe o número de

sequência da trama acabada de chegar nos dois primeiros bytes do payload:

cmd.data[0] e cmd.data[1]. Só um byte não chegaria para este teste, pois 28 = 256 e

no teste é necessário enviar 2000 tramas. Assim, com o uso de 2 bytes, consegue-se

enviar até 216 = 65536 valores sem que haja overflow.

Caso a condição “cmd.Data[0]x256+cmd.Data[1]==sn16” seja verdadeira, o

algoritmo só incrementa o contador de tramas recebidas, enquanto no caso contrario

é calculada a diferença entre estes dois valores, que é acumulada na variável

“packetloss”. Além disso, o a variável sn16 toma o valor do número de sequência atual

(cmd.Data[0]x256+cmd.Data[1]) e, por fim, o contador é incrementado para que fique

com o próximo número de sequência a ser recebido.


54

Para garantir que o programa funcionaria corretamente, realizou-se um teste

onde o end device, em vez de enviar uma sequência correta, envia uma sequência de

números impares. Assim, o coordenador obteve um PER (Packet Error Rate) de 50%,

como esperado num bom funcionamento. O mesmo aconteceu quando o envio da

sequência foi de três em três, em que o PER foi de 66.66%. O envio das tramas pode

ser confirmado com uma aplicação denominada Packet Sniffer e com o hardware que

acompanha este software – um dongle USB CC2531. Na Figura 4-2 são visíveis as

tramas capturados que foram enviadas entre os módulos.

Figura 4-2 - Tramas capturadas.

Assim é possível confirmar que as tramas enviadas contêm 50 bytes e verificar o

seu conteúdo.

4.2 Testes e resultados

O cenário escolhido para realizar os testes de alcance foi uma habitação, que pode

ser observada na Figura 4-3. Nesta figura podem-se igualmente verificar os trajetos

inicialmente definidos, usando dois módulos: um coordenador e um end device.


55

Figura 4-3 - Disposição dos nós no primeiro esquema de testes.

Os resultados obtidos através do esquema definido na Figura 4-3 podem ser

observados na Tabela 4-1.

Tabela 4-1 - Resultados obtidos no primeiro teste, no canal 11.

Trajeto Teste Distância em Metros Nº Pacotes Perdidos PER Média RSSI

1 1

4,2 0 0,0% -80

2 0 0,0% -78

2 1

8,3 289 14,5% -91

2 315 15,8% -92

3 1

7,5 0 0,0% -62

2 0 0,0% -61

4 1

4,1 56 2,8% -64

2 75 3,8% -63

5 1

6,9 731 36,6% -95

2 843 42,2% -93

Este seria é um cenário favorável, uma vez que se usa um módulo por divisão;

contudo, existe um excesso de perdas em certos trajetos. Em cada trajeto foi realizado

dois testes idênticos. O ZigBee pode comunicar em vários canais de transmissão. O

canal em funcionamento neste teste era o canal 11. Como os resultados apresentam


56

perdas elevadas em alguns trajetos, efetuou-se um estudo para analisar mais

profundamente se este era um bom canal para a transmissão. Na Figura 4-4 é visível

a comparação de canais entre ZigBee e Wi-Fi. Assim é possível obter uma comparação

da localização dos canais entre dois protocolos. Cada canal Wi-Fi tem 22 MHz de

espectro e sobrepõe-se sobre vários canais ZigBee.

Figura 4-4 - IEEE 802.15.4 (ZigBee) vs IEEE 802.11 (Wi-Fi).

Com ajuda do software Wi-Fi Scanner2, pode-se concluir que o canal 11 não é o canal

mais apropriado para transmitir dados. Na Figura 4-5, verifica-se que existem algumas

redes Wi-Fi pela habitação. A rede intitulada MEO é a rede Wi-Fi da habitação e

encontra-se a transmitir no canal 1, que se sobrepõe ao canal 11 do ZigBee. O canal

em funcionamento do Wi-Fi pode diferir dependendo da configuração do wireless

router. Este é possível ser alterado ou deixar em modo automático e o router escolher

qual o mais apropriado. Outras redes presentes usam outros canais de transmissão,

mas não com a mesma intensidade, e, assim, não causam interferência tão

significativa para os módulos ZigBee.

2 O Wi-Fi Scanner é um software que mostra onde se encontram na banda de frequências as redes

Wi-Fi. O software encontra-se disponível através em: http://wifiscanner.com/wifiscanner.html

http://wifiscanner.com/wifiscanner.html


57

Figura 4-5 - Redes Wi-Fi presentes na habitação.

Outros aparelhos, como o forno de micro-ondas, também podem criar

interferência. Com o uso do software Chanalyzer da Metageek e do analisador de

espectro Wi-Spy 2.4x USB foi possível verificar todas as interferências e em que

frequências operam. Na Figura 4-6 é possível observar-se o espectro na habitação na

banda de 2.4 GHz durante o funcionamento do forno micro-ondas e da rede Wi-Fi. A

janela 1 mostra onde se encontra a rede Wi-Fi, com picos que ultrapassam os 40 dBm,

e na janela 2 está presente a interferência do micro-ondas quando se encontra em

funcionamento. Neste momento as placas de desenvolvimento não se encontravam a

transmitir. O espectro da Figura 4-6 foi recolhido na cozinha, zona do trajeto 5.


58

Figura 4-6 - Espectro da banda 2.4 GHz com as fontes de interferência.

Após conhecimento das interferências presentes, foi então escolhido o canal 25

para os testes seguintes. Com o mesmo esquema da Figura 4-3 e com o mesmo código

de teste, obtiveram-se os resultados presentes na na Tabela 4-2.

Tabela 4-2 - Resultados obtidos no canal 25 com o forno de micro-ondas desligado.


1 1

4,2 0 0,0% -66

2 0 0,0% -68

2 1

8,3 0 0,0% -71

2 0 0,0% -71

3 1

7,5 0 0,0% -83

2 0 0,0% -78

4 1

4,1 0 0,0% -69

2 0 0,0% -71

5 1

6,9 0 0,0% -80

2 0 0,0% -78

É notório que os resultados foram bem mais satisfatórios com a escolha do canal

25. Conseguiu-se transmitir nos trajetos 2 e 5 com PER de 0,0%, onde no teste anterior,

o PER obtido era alto. Contudo, neste teste, quando o forno de micro-ondas se

encontrava em funcionamento, existiam perdas de pacotes no trajeto 5, conforme

indicado na Tabela 4-3.


59

Tabela 4-3 - Resultados obtidos no trajeto 5 com o forno de micro-ondas ligado.


5 1

6,9 11 0,6% -90

2 7 0,4% -88

Sendo assim, mesmo com o ZigBee em funcionamento em frequências diferentes

às do forno de micro-ondas, houve perdas de pacotes, devido ao acumular à distância

e aos obstáculos no trajeto entre o end device e o coordenador.

No ZigBee, na banda de frequências dos 2.4 GHz, ainda existe o canal 26, mais à

direita no espectro de frequências. Este canal foi testado nesta situação devido a estar

mais distante da interferência produzida pelo forno de micro-ondas. Contudo, os

resultados foram semelhantes não sendo necessário repetir o teste a todos os trajetos

por não trazer vantagens.

Optou-se por abordar uma nova topologia, adicionando um router e dividindo-se

o trajeto 5 em duas partes (6 e 4), como é visível na Figura 4-7.

Figura 4-7 - Disposição dos nós no segundo esquema de testes.


60

Com esta topologia, as perdas criadas pelo micro-ondas deixaram de existir,

obtendo-se um PER nulo nos dois testes realizados. Assim, conclui-se que com esta

topologia pode-se comunicar em toda a área da habitação sem quaisquer perdas.

A Figura 4-8 apresenta o espectro que se encontra na habitação com todas as

fontes RF ativas, estando visível na janela inferior o espectro dos módulos ZigBee

usando o canal 25.

Figura 4-8 - Espectro da banda de 2.4 GHz com todas as fontes de RF ativas.

Conclusões

63

5. Conclusões

O desenvolvimento de sistemas baseado em redes de sensores sem fios tem vindo

a crescer ao longo do tempo devido às necessidades do mercado. Cada vez mais se

requerem sistemas que minimizem o consumo energético e que ao mesmo tempo

consigam manter a fiabilidade dos dados enviados e recebidos.

Inicialmente foi proposto fazer um estudo do estado da arte do tema de modo a

conhecer as diferentes tecnologias, incluindo tecnologias com fios, sem fios e

powerline, sendo que no total foram analisadas 7 tecnologias. Foi realizado um estudo

a nível de características e performance. Foi apresentado como cada tecnologia

funciona, vantagens e desvantagens perante o ZigBee. Neste estudo deu para

entender que existem outras tecnologias semelhantes e com bastante potencial.

O foco principal desta dissertação visava em apresentar as tecnologias de

comunicação presentes no mercado com aplicação no domínio da domótica,

comparar, implementar e testar o uso de uma tecnologia que vem crescendo ao longo

dos anos, o ZigBee.

Após demonstrar que o ZigBee é uma das tecnologias que melhor se encaixa na

área da automação residencial, foram apresentados trabalhos realizados com esta

tecnologia.

Ficou claro que a Z-Stack acompanhada pelo ZigBee é bastante completa, e a parte

mais fulcral é a facilidade que um simples utilizador pode implementar um sistema

destes em sua própria casa. Foi documentado como pode ser realizado a integração

numa habitação e executados testes.

Estes testes foram realizados para que um simples utilizador perceba o que

poderá levar um sistema ZigBee a ter interferências e como as ultrapassar, como aqui

foi realizado.

Conclusões

64

Como trabalho futuro, propõe-se investigação no sentido de realizar uma casa

totalmente automatizada e criar uma habitação capaz de precaver problemas e

resolver automaticamente pois, o ZigBee contém muitas capacidades que aqui ainda

não foram demonstradas.

Referências

66

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Referências

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Rui Alexandre Pereira Azevedo - repositorium.sdum.uminho.pt · Professor Doutor José Augusto Afonso Rui Alexandre Pereira Azevedo Domótica sem fios baseada em redes ZigBee Universidade